大学化学, 2016, 31(2): 11-14 doi: 10.3866/PKU.DXHX20160211

教学研究与改革

科研成果向实验教学转化的探索与实践

向丹, 高培红, 张雯,

The Exploration and Practice of Transforming Scientific Achievements to Experimental Teaching Resources

XIANG Dan, GAO Pei-Hong, ZHANG Wen,

通讯作者: 张雯, Email: zhangwen@mail.xjtu.deu.cn

基金资助: 西安交通大学教师发展中心本科教学改革研究项目

Fund supported: 西安交通大学教师发展中心本科教学改革研究项目

摘要

介绍了化学综合实验改革实施的几项举措,分别从将成熟的科研成果向实验项目转化、先进仪器实训、改进教学手段及考核办法几项进行论述。

关键词: 化学实验 ; 创新 ; 综合 ; 教学改革

Abstract

This article introduced several reform measures of Comprehensive Chemistry Laboratory at Xi'an Jiaotong University, including adapting experiments from the mature scientific research project, training to use the advanced instruments, as well as improving teaching and examination methods.

Keywords: Chemistry experiment ; Innovation ; Comprehensive ; Teaching reform

PDF (749KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

向丹, 高培红, 张雯. 科研成果向实验教学转化的探索与实践. 大学化学[J], 2016, 31(2): 11-14 doi:10.3866/PKU.DXHX20160211

XIANG Dan, GAO Pei-Hong, ZHANG Wen. The Exploration and Practice of Transforming Scientific Achievements to Experimental Teaching Resources. University Chemistry[J], 2016, 31(2): 11-14 doi:10.3866/PKU.DXHX20160211

随着社会对高校毕业生综合素质和创新意识要求的不断提高,化学实验(综合性)的重要性也不断地被强调[1, 2]。化学综合实验是应用化学专业的核心课程,各大高校纷纷对该课程进行调整以适应新形势下的要求。如复旦大学在专项经费的资助下大刀阔斧地修订实验项目,以实现“培养学生串联、组装各知识点、实验技能,形成有效解决问题的能力”的教学理念[3]。西南科技大学的化学综合实验课程已经发展成熟,向着精品课程发展,形成了信息化平台的教学资源[4]。北京大学则是将综合化学实验教学延伸到科研学术组内,引导学生更多地参与到科研课题组[5]。我校(西安交通大学)化学综合实验的发展受资金限制,只能通过“节流”来实现跳跃式的改革。化学综合实验课程处在学生修完基础实验与开始毕业设计前这个关键的时期,其目的是对学生已学知识进行总结、归纳、应用和延伸,使学生在修完化学综合实验课程之后,能够更加顺畅地过渡到随后的科研训练及毕业设计环节,循序渐进地得到系统的研究训练。针对这些限制和需求,将前沿领域科学研究中相对成熟的科研成果向教学实验项目转化是最快最有效的方式;而且,随着教师科研的进展,随时将教师新的成熟科研项目不断地融入到化学综合实验的教学中,也保证了化学综合实验实现新技术、新应用、新视野的要求。

化学综合实验课程在新要求下应具备以下特点:①在内容上要体现“综合”的特性;②使学生全面接触大型测试仪器;③紧密联系当前研究热点。这样设置课程内容不仅能改善实验项目陈旧的问题,引领学生直接关注研究热点,同时也能系统地训练学生提出问题、分析问题和解决问题的能力[6]。实验的全面性也让参与实验的教师对自己的科研有了新的体会,实实在在地起到教学相长的作用。

1 实验项目选择

提高学生实践能力、创新能力和综合素质这一目标的实现需要从一点一滴做起,切实完成好一个个具体的实验[7]。因此,我们从以下几个方面对实验项目进行了修订。

(1)突出热点和学科前沿。

学院调动广大优秀教师对《化学综合实验》教材重新进行了编写,所有实验均精选自一线教师的教学积累、近期研究成果及前沿科学等相关课题,内容涉及锂电池电极材料、荧光磷光材料、金属有机配合物、表面活性剂等多个领域。

例如“氧化-还原法制备石墨烯”的实验。由于石墨烯在电子运输、导电性、机械特性等方面广阔的应用前景,加上其在2010年成为诺贝尔物理奖的主题,受到广大科研工作者的青睐,是目前国内外研究的热点课题。本学院教师在科研基础上将其转化为一个成熟的综合实验。充分考虑实验安全性和原料成本,以天然鳞片石墨为原料,运用Hummers法制备氧化石墨,通过超声波剥离技术制备单层氧化石墨烯及还原石墨烯,并通过X射线衍射谱和拉曼光谱对比分析了原料和产品。再如磷光发光材料对未来新一代显示技术及节能固态照明光源研发的意义重大,实验“2-苯基吡啶Pt配合物磷光发光分子的合成与光物理表征”合成了一种磷光发光分子,它是一种金属有机配合物,是在聚合物主链或支链通过化学键引入功能性金属中心而生成的新型高聚物。金属聚合物由于整合了金属中心的导电、荧光、氧化还原、催化特性以及高分子材料优良的溶解性能而备受关注,在催化、磁性材料、荧光材料等多方面都有很好的应用前景[8, 9],也是当今化学研究领域的热门课题之一。我校教师将其整合成一套适用于学生操作的综合实验。从前驱体的制备、目标分子的合成到产物的分离、提纯,从方法的选择到洗脱液的选择配比,都进行了深入的探讨,让学生对金属配合物的合成方法以及柱层析分离有了更清晰的认识。

这些实验既加强了学生化学专业必备的基本操作技能训练,又能让他们充分了解教师的科研内容和目前此研究方向的现状与进展,开阔了眼界,达到了提高学生实践能力和综合素质的目的。

(2)联系实际,注重设计。

大多数基础实验内容与日常生活关系不大,学生在实验过程中只是照方抓药,这样会有种纸上谈兵的感觉。这次改革引入了一些和日常生活紧密相关的实验,可以让学生体会化学知识对人类文明的推进作用,提升他们的专业亲切感和自豪感。如“两性表面活性剂十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)的合成与评价”,学生自己从原料入手合成表面活性剂,进行系统的性能评价后进一步设计并配制自己专属的洗手液和洗发水;铝合金是日常生活中一种非常重要的装饰材料,“铝合金的图纹化”实验强调学生自行设计,在教师审阅保证安全的情况下给予学生最大的自由度,让学生将校徽、自己的名字制作成铭牌留作纪念。这种寓教于乐的实验能有效提高学生的兴趣;实实在在的样品更有视觉冲击力,使学生对相关知识的印象更加深刻。

(3)紧密围绕“综合”的主题。

整个教材的选题对于从单个实验内容到各项目之间的关联都进行了通盘考虑。单个项目内容全面,从产品合成、优化、修饰到表征是一个小“综合”,各实验项目之间从基础性实验、综合型实验到设计性实验,逐级增加实验难度,并且囊括了化学学科中的几大分支,辐射到了无机合成、高分子、仪器分析等各方面,甚至对近化学学科(如材料、医学、食品等)也有涉及,相当于一个大“综合”。《化学综合实验》教材本身是一本很好的科研入门资料,虽然我们在课程设置上不能将所有实验全部开出,但是学生在平时的阅读中也能有所收益。化学综合实验将做成一个不断开发升级、滚动发展的课程,逐步开出更多新型的实验,为科研成果向教学项目的转化进行有益的探索,为学生系统地接受科研训练创建平台。

2 引入先进大型仪器

大型仪器设备是高等院校重要的科技资源之一,随着国家对高等教育经费的不断增加,我校的仪器设备特别是大型精密仪器设备在数量上有了很大的提高。由于基础实验条件和目标的限制,学生接触到大型精密仪器的机会很少,但在进行毕业设计时又需要使用,造成了带毕业设计教师的很大困扰。因此在化学综合实验课程中引入先进实验仪器的训练很重要。

在化学综合实验课程中,学生有机会在老师的指导下亲自操作大型仪器,可以提高他们参与实验的兴趣。同时使用大型仪器的经历使得他们对仪器的构造、使用及简单维修都有了很直观的认识,也能更深刻地体会到先进仪器设备对科研发展的促进作用。改革后的化学综合实验课程中的所有实验项目均涉及产品的鉴定分析,涵盖了我中心大部分的大型仪器,如:X射线衍射仪(XRD)、核磁共振仪(NMR)、拉曼光谱仪(Raman)、紫外可见吸收光谱仪(UV-vis)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、荧光光谱仪(AFS)、接触角仪(CAT)等。每位教师可根据自己的科研内容,选择最有代表性的几种表征手段。教师对仪器的原理、具体的操作方法以及最后的谱图分析都要进行详细的介绍,使学生在掌握仪器的使用方法后能够自行进行检测。与传统实验相比较,学生的参与度更高。

如在实验“金属酞菁的合成及光谱特性研究”中,学生合成出含有钴、铝、锌等金属中心原子的酞菁配合物,分别研究了不同金属中心、不同溶剂对酞菁紫外可见吸收光谱的影响,并针对同一溶剂的不同浓度、不同金属中心的酞菁荧光光谱进行了检测对比。相较于基础化学实验单一的评价条件,在化学综合实验中系统地讨论了各种变量之间的联系和影响,对学生分析问题、解决问题的能力都是很好的锻炼。同时,学生对两种谱图进行分析比较,对紫外可见吸收光谱及荧光光谱这两种分析手段之间的联系和区别也有了更深的认识。又如实验“局部麻醉剂苯佐卡因的制备及表征”,由对甲基乙酰苯胺分四步反应最终合成出产品苯佐卡因,每合成出一种前驱体都要进行相应的检测(用熔点仪测熔点,用红外光谱分析官能团等),学生从检测的数据和合成产品的产量,选择下一步的投料量,最终对合成出的产品进行核磁共振分析。由于每一步的成败都直接影响最终的结果,可使学生意识到这是“自己”独一无二的实验,检测时就不会走过场。

3 调整教学方法及考核办法

3.1 教学方法的改进

化学综合实验已从原来的32学时增加到64学时,时间的延长有利于科研的系统性,同时也对这门课程提出了更高的要求。

传统的实验课一般都是教师根据教科书中的明确实验目标对学生提出统一的要求;改革后的化学综合实验不但内容辐射面广,而且与时俱进,强调学生参与实验设计,这更符合培养创新型人才的要求。课程内容则是教师给出实验题目及基础背景,由学生上网查阅相关资料,在课堂上教师和学生相互探讨;教师根据目前的研究水平进行分析,并结合实验室具体条件,和学生一起讨论出最佳的合成路线、提纯方法及相应的检测手段;在实验过程中,教师根据每个学生的实际情况给出解决办法,直到最后报告的完成。学生每完成一个实验就相当于完成了一个系统的小课题。

3.2 师资配备的调整

化学综合实验课程的改革对带实验课的教师自身科研水平的要求有很大提高。以往科研水平高的资深教师较少参与实验教学。此次除了对课程内容和结构上进行很大的调整之外,另一个亮点就是科研一线的教授、副教授直接走进实验室,全程参与学生实验中的讨论、指导。同时,打破了一位教师主讲一门课程的传统。我们的实验课是由一位教师总负责,6位资深教授、副教授分别指导自己编写的实验项目。由最专业的教师讲授自己最擅长的实验,能使学生在实验过程中随时接受到最有效的指导,这本身对学生来说就有很强的吸引力,因此收效显著。

3.3 考核制度的改进

完善的考核体系能更好地检验教与学的效果,同时也能促进教学内容的不断完善。新的考核制度更注重对学生自身素质、创新思维和创新能力的培养,既包括对平时操作技能的评价,也包括对实验的积极性、主动性,实验设计能力,求真务实的科学态度等的评价。平时成绩从原来占总成绩的30%增加到70%。加大平时实验的成绩能使学生更注重在平时实验过程中的表现,引导他们由过去的“学习、考试”型学生向“学习、探索、研究、创新”型学生转变。

4 以科研助教学、教学带科研的循环滚动式发展

经过系统的综合化学实验课程训练后,提高了学生科研训练中分析问题、解决问题及实验操作的能力,使他们对随后进行的毕业设计选题、考研方向和工作方向的选择都变得更主动、更有目的性,而且缩短了学生进入毕业设计后的磨合期。同时,这门课程促进了不同研究方向的交叉,更有利于激发创新思维,产生新的科研思路。

科研与教学是对立的统一体,二者相辅相成,相互促进。以科研助教学,以教学促科研的循环滚动式发展既能锻炼学生的能力,又有利于教师的科研,是一项双赢的措施。

5 结论和展望

科研成果向实验教学转化的实践,得到了广大师生的认可。学生的创新意识和创新能力方面有了明显提高;查阅文献、分析问题、解决问题的能力,对大型仪器的认知及熟练操作都取得了很大的进步,为他们进行后续的学习和研究打下了坚实的基础。化学综合实验将不断更新和调整,这对教学资源配套提出更高的要求,而且也需要教师倾注更多的心血、投入更多的力量。这种改革无疑会使教学和科研都充满勃勃的生机。科研成果向实验教学转化是高校教学科研相辅相成的正路,理应得到大力推广。

参考文献

林金华. 大学化学, 2010, 25 (5), 20.

[本文引用: 1]

肖小华; 邹小勇; 张杰鹏; 闫素君; 邵光; 林志强; 陈六平. 大学化学, 2013, 28 (4), 36.

[本文引用: 1]

牛国兴; 高翔; 徐华龙. 大学化学, 2012, 27 (4), 27.

[本文引用: 1]

钟国清; 霍冀川; 叶旭; 张欢. 大学化学, 2011, 26 (1), 16.

[本文引用: 1]

吕占霞; 贺维军; 高珍; 范星河. 大学化学, 2011, 26 (1), 14.

[本文引用: 1]

金成树; 迟云超; 赵大伟; 郎德龙; 刘海燕. 广东化工, 2011, 38 (3), 185.

[本文引用: 1]

朱玉华; 杨正宏. 实验室研究与探索, 2008, 27 (1), 7.

[本文引用: 1]

何敏.新型金属有机配位聚合物的制备及在微量物质检测上的应用[D].合肥:中国科学技术大学, 2013.

[本文引用: 1]

李志法. 广州化工, 2014, 42 (1), 35.

[本文引用: 1]

张雯; 郭丽娜; 胡敏; 李健军. 化学综合实验, 西安: 西安交通大学出版社, 2014,

/